让反应快起来：影响化学反应速率的因素

实验桌上有两只同样的锥形瓶，各装着等质量、颗粒大小相近的大理石。向其中分别加入等体积的稀盐酸和较浓的盐酸，第一只瓶里的气泡从容上升，第二只却像突然被按下了快进键，二氧化碳很快冲进集气筒。

反应式没有变：

那么，究竟是谁让第二只瓶子“跑”得更快？这一章不把答案背成一串词，而是沿着这次计时实验，把镜头从气泡推到粒子碰撞，再推回可操作的实验条件。

浓度之外，温度也会影响反应快慢。下图展示相同反应在不同水浴温度下的现象，用来说明另一种可研究的条件；它与上文改变盐酸浓度的实验是不同的对照。

先问一个根本问题：粒子碰到一起，就一定反应吗？

不一定。碰撞只是粒子接触的机会，是否能发生反应，还取决于能量和取向。

反应物粒子不停运动、不断碰撞，但只有一部分碰撞能引起旧化学键断裂、新化学键形成，叫作有效碰撞。它至少要满足两件事：粒子具有足够高的能量，并且以合适的取向接触。能量足以发生有效碰撞的粒子称为活化分子；从反应物达到能发生反应的状态所需越过的最低能量门槛，称为活化能。

这就得到一条非常实用的因果链：

条件改变，会使单位时间内的有效碰撞次数改变，进而改变反应速率。

接下来所有因素，都是在这条链上的不同位置发力：有的让单位体积里的粒子更多，有的让更多粒子越过能量门槛，有的干脆替反应另修一条更好走的路。

先用这个小实验室把“碰撞次数更多”和“有效碰撞比例更高”分开观察；再往下读时，每个条件的作用位置会更清楚。

第一种办法：把“相遇机会”变多

回到两只锥形瓶。较浓盐酸中，单位体积内的氢离子更多；同样大小的大理石表面在每一秒能遇到更多氢离子，于是产生有效碰撞的机会增加，二氧化碳冒得更快。

在其他条件相同时，增大反应物浓度，通常会加快反应速率；减小反应物浓度，通常会减慢反应速率。 注意这里说的是实际参加反应的粒子。例如在上述反应中，真正与碳酸钙表面反应的是氢离子；若只增加不参与反应的离子浓度，不能据此直接判断速率一定改变。

例题：别把“气泡更多”误当成“产物更多”

取两份相同的锌粒，分别加入等体积的盐酸，其他条件相同。甲组盐酸浓度较低，收集 $24\ \mathrm{mL}$ 氢气用时 $80\ \mathrm{s}$；乙组收集同样体积的氢气用时 $40\ \mathrm{s}$。

你先自己回答：乙组在这段时间内的平均生成速率是甲组的多少倍？

气体反应里为什么常说“压强”？

对有气体参与的反应，压缩容器、减小体积会使气体浓度增大，粒子更拥挤，速率通常加快。它的本质仍是浓度变了，并不是“总压强”这个数值本身有魔法：

在温度等其他条件相同时，缩小气体体积会增大反应气体的浓度，从而增加单位时间内的有效碰撞次数。

这里很值得停一下。恒温、恒容条件下向容器通入氦气，虽然总压强增大，但参与反应的气体浓度没有改变，反应速率一般不变。反过来，若在恒温、恒压条件下通入氦气，容器体积增大，反应气体的浓度降低，速率会减慢。对于没有气体参加的溶液反应，单纯改变压强通常没有这种影响。

现在把三种常见现象统一翻译成可比较的计时数据：先选出公平对照，再用同一终点下的时间或平均变化量建立判断证据。

第二种办法：让更多粒子翻过能量门槛

把前面的锥形瓶放进温水中，会发生什么？通常气泡会更快出现。生活中也有同样的经验：食物在低温下更不容易变质，化工反应器却常要控制在适宜的较高温度。升温的关键不只是“粒子跑得更快”。更重要的是，在同一批粒子中，能量达到活化能的粒子比例增大，单位时间内有效碰撞明显增多。

因此在其他条件相同时，升高温度，反应速率通常增大；降低温度，反应速率通常减小。 对可逆反应，升温会使正、逆反应速率都加快；至于平衡向哪边移动，是后面讨论平衡时的另一件事，不能把两件事混为一谈。

用“相同体积气体”给温度当裁判

以过氧化氢分解为例，在相同装置中收集氧气，并将气体在相同温度、压强下的体积作为终点。若 $35\ ^\circ\mathrm{C}$ 组用时 $42\ \mathrm{s}$，$20\ ^\circ\mathrm{C}$ 组用时 $96\ \mathrm{s}$，可以直接判断前者在这段内的平均反应速率更大。实验中若要只研究温度，就必须让过氧化氢浓度和体积、催化剂种类和用量、装置、气体体积终点等保持相同。

这就是控制变量法的核心：一次比较只允许一个因素成为变量。 若一组既升温又换成更浓的溶液，即使气泡更快，也无法知道究竟是谁在起主要作用。

第三种办法：给反应修一条更低的路

有些反应不是没有发生的可能，而是要跨越的能量门槛太高，常温下慢得没有实用价值。催化剂就像在山口开出一条隧道：它提供不同的反应历程，使反应所需的活化能降低。在相同温度下，能量足够的活化分子比例提高，因而有效碰撞次数增加。

例如二氧化锰能催化过氧化氢分解：

加入少量二氧化锰后，氧气很快放出；把带火星的木条伸到收集到的气体中，木条复燃，可以检验氧气。可是，“看到反应变快”还不能独立证明它就是催化剂。还应在反应后回收该物质，确认它的质量和化学性质没有改变，例如把回收的二氧化锰再次用于相同反应，仍有同样的催化作用。

固体反应：把同一块材料切得更细

把同样质量的铁块和铁粉分别放入等体积、等浓度的稀盐酸中，铁粉往往反应得更快。不是铁粉“更活泼”，而是固体与溶液只能在表面接触；颗粒越小，单位质量暴露的表面积通常越大，能够同时与溶液接触的表面位点更多。

所以，对有固体参加的反应，在其他条件相同时，增大固体反应物的表面积通常能加快反应速率。 研磨矿石、把固体制成颗粒或粉末，都是利用这一点；但粉末反应更快也可能带来粉尘燃烧等安全风险，实际生产需要同步考虑控制措施。

例题：快慢和“最后能收多少气体”要分开问

取质量相同的块状碳酸钙和粉末状碳酸钙，分别与等体积、等浓度且足量的盐酸反应。粉末组先达到“收集 $50\ \mathrm{mL}$ 二氧化碳”的终点，因为表面积较大、反应更快；两组碳酸钙完全反应后，生成的二氧化碳总量相同，因为两组碳酸钙的物质的量相同且盐酸过量。

若把条件改成盐酸量相同且不足，结论仍要回到限量试剂：只要两组盐酸的量相同，最终二氧化碳总量仍由盐酸决定；粉末改变的是达到终点的过程，不凭空创造产物。

先在下面的交互中把一组“只改颗粒大小”的公平对照配出来，再观察它和不公平对照会给出怎样不同的结论。

还有两点：光照和搅拌不能被误用

有些反应需要吸收光能才容易发生，例如氢气和氯气的混合气体在光照下能迅速反应。这里的光照是特定反应的条件，不能把“照得更亮”套用到所有反应上。

搅拌也常被说成“加快反应”。对于固体和溶液、两种互不相溶液体等体系，搅拌主要让反应物接触更充分、减小固体表面附近的浓度差，从而有利于反应进行。分析题目时，应先看它是否真的改变了接触条件，不能把搅拌当成脱离具体体系的万能答案。

遇到“怎样调快或调慢”时，按这条线判断